Cigüeñal | Es una descripción general completa y relaciones importantes

Contenido: cigüeñal

  • ¿Qué es el cigüeñal?
  • Material y fabricación de cigüeñales
  • Diagrama del cigüeñal
  • Procedimiento de diseño del cigüeñal
  • Deflexión del cigüeñal
  • Trazado de la curva de deflexión del cigüeñal
  • Estudio de caso de falla del cigüeñal marino
  • Análisis de fallas del cigüeñal diesel Boxer: estudio de caso
  • Análisis de fallas por fatiga del cigüeñal: una revisión
  • Falla del cigüeñal del motor diesel: un estudio de caso

¿Qué es el cigüeñal?

“Un cigüeñal es un eje impulsado por un mecanismo de manivela, que incluye una serie de manivelas y muñequillas a las que se unen las bielas de un motor. Es una parte mecánica capaz de realizar una conversión entre movimiento alternativo y movimiento de rotación. Un motor alternativo convierte el movimiento alternativo de un pistón a la forma de rotación, aunque en un compresor alternativo, se traduce de forma opuesta significa rotacional a formas alternativas. Durante este cambio entre dos movimientos, los cigüeñales tienen "pasos de manivela" o "muñequillas" de superficie de apoyo adicional cuyo eje está desplazado de la manivela, a la que se une el "extremo grande" de la biela de cada cilindro ".

Un cigüeñal se puede describir como un componente utilizado para convertir el movimiento alternativo del pistón al eje en movimiento rotatorio o viceversa. En palabras simples, es un eje con un accesorio de manivela.

Un cigüeñal típico consta de tres secciones:

  1. La sección del eje que gira dentro de los cojinetes principales.
  2. Las muñequillas
  3. Las manivelas o las bandas.
https://en.wikipedia.org/wiki/Crankshaft

Esto se clasifica en dos tipos según la posición de la manivela:

  1. Cigüeñal lateral
  2. Cigüeñal central

El cigüeñal se puede clasificar además en cigüeñales de un tiro y cigüeñales de tiro múltiple según el no. de manivelas en el eje. Un cigüeñal que posea solamente un cigüeñal central o un cigüeñal de un lado tiene derecho como cigüeñal de un solo tiro. Un cigüeñal con 2 o múltiples manivelas centrales o '2' manivelas laterales, '1' en cada extremo se reconoce como “cigüeñales de tiro múltiple”. La configuración de manivela lateral incluye simplicidad geométrica, son comparativamente simples de fabricar y ensamblar. Se pueden utilizar con cojinetes deslizantes sencillos y son relativamente más baratos que el cigüeñal central.

La configuración de manivela central proporciona una mejor estabilidad y equilibrio de fuerzas con menores tensiones inducidas. Su costo de fabricación es alto y se requiere un cojinete de biela dividido para el montaje. En las aplicaciones que requieren varios pistones trabajando en fase, se puede desarrollar un cigüeñal de tiro múltiple colocando varios centros de manivela uno al lado del otro, en una secuencia específica, a lo largo de una línea central común de rotación. Los lanzamientos están indexados por rotación para proporcionar la fase deseada.

Los motores de combustión interna de varios cilindros, como los motores en línea y de la serie V, utilizan un cigüeñal de tiro múltiple. Todo tipo de cigüeñales Experimente fuerzas dinámicas generadas por el centro de masa excéntrico giratorio en cada pasador de cigüeñal. A menudo es necesario utilizar contrapesos y equilibrio dinámico para minimizar las fuerzas de sacudida, el esfuerzo de tracción y los pares de balanceo generados por estas fuerzas de inercia.

Material y fabricación de cigüeñales:

El cigüeñal a menudo experimenta golpes y fatiga la condición de carga. Por tanto, el material del cigüeñal debe poseer más tenacidad y mejor resistencia a la fatiga. Suelen ser producto de acero al carbono, ciertos materiales de acero o hierro fundido. Para los motores utilizados en la industria, los cigüeñales generalmente se generan a partir de acero al carbono, como 40-C-8, 55-C-8 y 60-C-4.

En el motor de transporte, el acero al manganeso, es decir, 20-Mn-2, 27-Mn-2 y 37-Mn-2 se utilizan comúnmente para preparar los cigüeñales. En los motores aeronáuticos, el acero al níquel-cromo como el 35-Ni-1-Cr-60 y el 40-Ni-2-Cr-1-Mo-28 se utilizan generalmente para fabricar el cigüeñal. 

Los cigüeñales se terminan comúnmente mediante un proceso de fundición o forjado. El endurecimiento de la superficie de la muñequilla se termina mediante el proceso de cementación de la caja, nitruración o endurecimiento por inducción. Los materiales del cigüeñal seleccionados deben cumplir tanto con los requisitos de resistencia estructural como con los requisitos de desgaste del lugar de los cojinetes.

En la aplicación típica del cigüeñal, se unen manguitos dúctiles blandos a la biela o al bastidor, por lo que el material del cigüeñal debe tener la capacidad de proporcionar una superficie dura en los lugares de los cojinetes. Muchos materiales pueden cumplir con los requisitos de resistencia estructural, pero proporcionar resistencia al desgaste en los sitios de los cojinetes reduce la lista de candidatos aceptables.

Debido a la geometría asimétrica, muchos cigüeñales se han fabricado fundiendo o forjando una "pieza en bruto", para mecanizarlos posteriormente. En algunas aplicaciones se utilizan soldaduras construidas. Tradicionalmente, el hierro fundido, el acero fundido y el acero forjado se han utilizado para los cigüeñales. El uso de superficies de cojinetes endurecidas y cementadas selectivamente también es cotidiano. 

Procedimiento de diseño del cigüeñal

Se debe seguir el procedimiento posterior para el diseño.

  1. Calcule la magnitud de las diferentes cargas que actúan sobre el cigüeñal.
  2. Según las cargas, calcule la distancia entre las estructuras de soporte y las posiciones.
  3. Para un diseño simple y seguro, el eje debe estar apoyado en el centro de los rodamientos y todas las fuerzas y reacciones deben actuar en esos puntos. La distancia entre los soportes estará sujeta a la longitud del rodamiento, que generalmente depende del diámetro del eje a partir de las presiones tolerables del rodamiento.
  4. Se espera que el grosor de las almas sea de 0.4ds a 0.6ds, donde "ds" es el diámetro del eje. Por lo general, se considera como 0.22 * D a 0.32 * D, donde D es el diámetro del agujero del cilindro en mm.
  5. Estime aquí y ahora la distancia entre las estructuras de soporte.
  6. Suponiendo las tensiones de flexión y cortante aceptables para el material del cigüeñal, calcule la dimensión del cigüeñal.

Deflexión del cigüeñal

El cigüeñal consta de los segmentos del eje principal, reforzados individualmente por el cojinete principal, y luego varios ejes de alma sobre los que girará la biela del pistón específico. La manivela de tiro que son los pasadores de la manivela y los brazos de conexión deben estar en escuadra sin deflexión. Si este no es el caso, causa un desgaste inusual en los cojinetes principales. Un comparador detecta la desalineación del eje del cigüeñal entre los brazos del cigüeñal. Es el desgaste desigual que se produce entre los distintos segmentos del eje central del cigüeñal.

Trazado de curvas de deflexión de cigüeñales

  • Desde la línea central del eje del cigüeñal, se traza una línea recta paralela a él, y luego se trazan líneas perpendiculares de cada unidad hacia esta línea paralela.
  • Después de tomar la deflexión del cigüeñal de cada unidad, los valores derivados se anotan encima de cada unidad de la red del cigüeñal en el gráfico anterior.
  • Trace la distancia -5.0 mm, que es la primera lectura de deflexión, hacia abajo (para valor negativo y hacia arriba para valor positivo) desde la línea de referencia en la línea central de la unidad y tenga la línea “ab” que forma un ángulo proporcional a la desviación en 'a'.
  • Esta línea se extiende para cruzar la línea central de la siguiente unidad. El siguiente paso consiste en calcular la deflexión desde este punto de unión y unir el punto desde el punto anterior, que ascenderá a la línea “bc”. Los pasos deben repetirse nuevamente hasta completarlos.
  • Trace una curva suave entre estos puntos y compare la posición de esta curva con respecto a la línea base XY. En el gráfico anterior, la curva dibujada a partir de las lecturas de las unidades 1 y 2 está demasiado alejada de la línea de base en comparación con el resto de la curva y, por lo tanto, necesita atención.
Curva de deflexión del cigüeñal
Curva de deflexión del cigüeñal

Estudio de caso de falla del cigüeñal marino

El estudio de caso realizado trata sobre la trágica falla de un cigüeñal marino de banda. El cigüeñal se somete a una gran flexión y torsión, y se analiza su efecto combinado sobre la falla del cigüeñal. La observación microscópica sugirió que la iniciación de la grieta comenzó en el filete de la muñequilla debido a la flexión rotatoria, y la propagación fue una combinación de flexión cíclica y torsión constante. El número de ciclos desde el inicio de la grieta hasta la falla final del cigüeñal se determinó mediante lecturas de la operación del motor principal a bordo. Se toman en consideración los puntos de referencia que quedan en la superficie de la grieta por fatiga.

Al utilizar la mecánica de fractura elástica lineal, los ciclos calculados muestran que la propagación fue rápida. También muestra que el nivel de tensión de flexión fue bastante alto en comparación con los ciclos totales del motor principal en servicio. No se observaron inclusiones o defectos de microestructura; así, indica que la falla se debió a una causa externa y no al defecto intrínseco interno.

El material del cigüeñal tenía configuración (42CrMo4 + Ni + V) (composición química,%: C = 0.39; Si = 0.27; Mn = 0.79; P = 0.015; S = .014; Cr = 1.14; Mo = 0.21; Ni = 0.45; V = 0.10). El cigüeñal del motor principal está dañado. El cigüeñal no. 4 se ha roto. Se analizó el material cerca de la región de inicio de la fisura y mostró microestructura bainítica. El material tenía dureza vickers285.

La fatiga se ve como en dos superficies diferentes, una vertical al cigüeñal y la otra en el plano horizontal con el cigüeñal con zonas de cambio entre dos planos. Por lo tanto, la trágica falla del cigüeñal marino anterior fue por fatiga y combinada con la rotación-flexión con la torsión constante. La investigación, observación y desarrollo de nuevos cigüeñales están en curso para evitar este tipo de fallas.

Referencia:

Fonte MA, Freitas MM. Análisis de fallas del cigüeñal del motor principal marino: estudio de caso, Análisis de fallas de ingeniería 16 (2009) 1940-1947

Análisis de fallas del cigüeñal diesel Boxer: estudio de caso

El informe trata sobre el análisis del modo de falla del cigüeñal del motor diesel boxer. El cigüeñal es el componente que experimenta una carga dinámica compleja más alta debido a la flexión giratoria complementada con torsión y flexión en la muñequilla. Los cigüeñales están sujetos a cargas multiaxiales. Esfuerzo de flexión y esfuerzo cortante debido a la torsión y carga de torsión debido a las transmisiones de potencia. Los cigüeñales están fabricados con acero forjado, hierro fundido nodular y hierro dúctil templado aus.

Deben poseer la resistencia, tenacidad, dureza y alta resistencia a la fatiga adecuadas. Deben ser fáciles de mecanizar, tratar térmicamente y moldear. El tratamiento térmico aumenta la resistencia al desgaste; por lo tanto, todos los cigüeñales diesel se tratan térmicamente. Tienen la superficie endurecida para mejorar la resistencia a la fatiga. Se observan tensiones de alto nivel en zonas críticas como los filetes de la banda y los efectos de la fuerza centrífuga debido a la transmisión de potencia y las vibraciones. La fractura por fatiga cerca de la región del filete del alma es la principal causa de falla del cigüeñal desde la generación de grietas y la propagación ocurre a través de esta zona. 

Las especificaciones del cigüeñal de un motor de caja son: desplazamiento = 2000 pies cúbicos. cm, diámetro del cilindro = 100 mm, potencia máxima = 150 CV, par máximo = 350 N m. Se ha observado que después de 95,000 km en servicio se produce la avería del cigüeñal. Se han producido fallas por fatiga en casi 2000 motores fabricados. Después del análisis, se ha observado que la debilidad de dos carcasas de acero centrales y la deformación de los puentes de la bancada debido al agrietamiento fueron los principales culpables de la falla del cigüeñal.

La amplitud de flexión del cigüeñal aumenta debido a la debilidad de las carcasas de acero agrietadas y los puentes de la placa de base, que se encuentran debajo de ellas. Ciertamente no hubo evidencia de defectos de material o desalineación de los cojinetes principales. La devastadora falla del cigüeñal se debió a un diseño defectuoso de las carcasas de soporte de acero y los puentes de las bancadas. El diseño mejorado del fabricante solucionará este problema.

Referencia:

M. Fonte et al., Análisis de fallas del cigüeñal de un motor diesel boxer, Análisis de fallas de ingeniería 56 (2015) 109-115.

Análisis de fallas por fatiga del cigüeñal: una revisión

En este artículo, se analiza la causa raíz de la fractura del cigüeñal del compresor de aire utilizando varios métodos y parámetros como composición química, propiedades mecánicas, características macroscópicas, microscópicas y cálculos teóricos. Este documento también tiene como objetivo mejorar el diseño, la resistencia a la fatiga y la fiabilidad del trabajo del cigüeñal. El cigüeñal utilizado en este estudio es acero 42CrMo que está forjado, tratado térmicamente y nitrurado para aumentar la resistencia a la fatiga del cigüeñal. El procedimiento de análisis de la causa de la fractura del cigüeñal se lleva a cabo en tres partes:

  • Análisis experimental del cigüeñal
  • Análisis macroscópico de características y microestructura
  • Cálculos teóricos

El análisis de elementos químicos se está realizando para determinar con precisión la composición química del material del cigüeñal y verificar si están por debajo de los valores estándar permitidos. Se hace con la ayuda de un espectrómetro. Las superficies fracturadas se clasifican en tres regiones: (1) región de inicio de grietas por fatiga, (2) región de expansión por fatiga y (3) región de fractura estática.

Durante el análisis, se encontró que la tasa de crecimiento de grietas por fatiga es alta debido a la alta flexión. La desalineación de los muñones principales y el pequeño filete al orificio de lubricación son las principales causas de una alta flexión. La grieta por fatiga se inició en el borde del orificio de lubricación y, por lo tanto, condujo a la fractura. Las marcas de playa producidas por pequeñas sobrecargas por arrancar y parar el compresor no eran visibles. En un ciclo de rotación particular después de un período de trabajo estándar, aparecieron microgrietas debido a la alta concentración de tensión de flexión en el filete del orificio de lubricación. Sin embargo, el cigüeñal todavía puede acercarse a las condiciones normales de trabajo.

A medida que aumentaba el tiempo de funcionamiento, la fluctuación también aumentaba, lo que hacía que las grietas se propagaran a la región de fractura estática, lo que provocó una falla total. La observación microscópica de la superficie de la fractura medida mediante microscopía electrónica de barrido (SEM), que mostró que la grieta en el borde del orificio de lubricación fue la razón para fracturar el cigüeñal. De acuerdo con el cálculo teórico, se obtiene la curva de seguridad para el orificio de lubricación y la región del filete, que ayuda a identificar las secciones más débiles.

Mejorando la calidad de la superficie y reduciendo la rugosidad de la superficie, se puede aumentar la fiabilidad del cigüeñal. La alineación adecuada de los muñones principales reducirá la tensión de flexión inducida y aumentará la vida de fatiga del cigüeñal.

Referencia:

W.Li et al., Análisis de falla por fatiga del cigüeñal, Análisis de falla de ingeniería 55 (2015) 139-147.

Falla del cigüeñal del motor diesel: un estudio de caso

En este artículo, se lleva a cabo el análisis de fallas, el análisis modal y de estrés del cigüeñal de un motor diesel. Para evaluar la fractura del material del cigüeñal, se realizaron tanto la inspección visual como la investigación. El motor utilizado fue el S-4003, y su cigüeñal se rompió cerca de la muñequilla cuatro después de 5500 horas de funcionamiento. El cigüeñal se rompió después de aproximadamente 30 a 700 horas de funcionamiento del motor. El análisis adicional mostró la presencia de microgrietas cerca de la 2ª muñequilla y el 2º muñón. El estudio mostró que la razón principal detrás de la falla fue un proceso de molienda defectuoso.

Para un análisis experimental adicional, se cortó la muestra de la parte dañada. Se utilizó un análisis de elementos finitos no lineal para identificar las razones de la falla abrupta del cigüeñal. El análisis se realizó para determinar las tensiones inducidas en el eje debido a condiciones de carga cíclicas cuando el motor funciona a máxima potencia.

El análisis numérico se utiliza para encontrar la relación entre la biela y el cigüeñal mediante la aplicación de condiciones de contorno complejas. Para la determinación de modos y frecuencia de vibración libre se realizó un análisis modal numérico del cigüeñal.

Después del análisis, se observó que el valor de tensión en el filete del muñón del cigüeñal no 4 era aproximadamente el 6% de la tensión de fluencia del material del cigüeñal. El análisis modal arrojó como resultado que durante el segundo modo de vibración libre, el área de alta tensión se encontró en el área donde tuvo lugar la generación de grietas (zona crítica).

En una observación adicional, se descubrió que la falla del cigüeñal ocurrió por vibración resonante generada debido a masas desequilibradas en el eje, que indujeron condiciones de alta tensión cíclica, lo que hizo que disminuyera la vida de fatiga del cigüeñal.

Referencia:

Lucjan Witek et al., Investigación de fallas de un cigüeñal de motor diesel, Procedia Structural Integrity 5 (2017) 369-376

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Acerca de Hakimuddin Bawangaonwala

Soy Hakimuddin Bawangaonwala, ingeniero de diseño mecánico con experiencia en diseño y desarrollo mecánico. He completado la maestría en tecnología en ingeniería de diseño y tengo 2.5 años de experiencia en investigación. Hasta ahora publicado Dos artículos de investigación sobre torneado duro y análisis de elementos finitos de accesorios de tratamiento térmico. Mi área de interés es el diseño de máquinas, resistencia de materiales, transferencia de calor, ingeniería térmica, etc. Competente en software CATIA y ANSYS para CAD y CAE. Aparte de la investigación.
Conéctese en LinkedIn: https://www.linkedin.com/in/hakimuddin-bawangaonwala

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